網絡技術基礎知識一之ARP協議

　 1　 ARP協議概述
　　
　　ARP 協議和ICMP 協議是經常使用的TCP/IP底層協議。在對網絡故障進行診斷的時候，它們也是最經常使用的協議。
　　
　　ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）是一個位於TCP/IP協議棧中的低層協議，負責將某個IP地址解析成對應的MAC地址。
　　
　　 2　ARP工做原理
　　
　　 2.1　ARP工做過程
　　
　　當一個基於TCP/IP的應用程序須要從一臺主機發送數據給另外一臺主機時，它把信息分割並封裝成包，附上目的主機的IP地址。而後，尋找IP地址到實際MAC地址的映射，這須要發送ARP廣播消息。當ARP找到了目的主機MAC地址後，就能夠造成待發送幀的完整以太網幀頭。最後，協議棧將IP包封裝到以太網幀中進行傳送。
　　
　　如圖1所示，描述了ARP廣播過程。
　　 　
　　圖1　 ARP廣播
　　
　　在圖1中，當主機A要和主機B通訊（如主機A Ping主機B）時。主機A會先檢查其ARP緩存內是否有主機B的MAC地址。若是沒有，主機A會發送一個ARP請求廣播包，此包內包含着其欲與之通訊的主機的IP地址，也就是主機B的IP地址。當主機B收到此廣播後，會將本身的MAC地址利用ARP響應包傳給主機A，並更新本身的ARP緩存，也就是同時將主機A的IP地址/MAC地址對保存起來，以供後面使用。主機A在獲得主機B的MAC地址後，就能夠與主機B通訊了。同時，主機A也將主機B的IP地址/MAC地址對保存在本身的ARP緩存內。
　　
　　 2.2　ARP報文格式
　　
　　ARP報文被封裝在以太網幀頭部中傳輸，如圖2所示，是ARP請求協議報文頭部格式。
　　 　
　　圖2　 ARP請求協議報文頭部格式
　　
　　圖2中×××的部分是以太網（這裏是Ethernet II類型）的幀頭部。其中，第一個字段是廣播類型的MAC地址：0XFF-FF-FF-FF-FF-FF，其目標是網絡上的全部主機。第二個字段是源MAC地址，即請求地址解析的主機MAC地址。第三個字段是協議類型，這裏用0X0806表明封裝的上層協議是ARP協議。
　　
　　接下來是ARP協議報文部分。其中各個字段的含義以下：
　　
　　硬件類型：代表ARP實如今何種類型的網絡上。
　　
　　協議類型：表明解析協議（上層協議）。這裏，通常是0800，即IP。
　　
　　硬件地址長度：MAC地址長度，此處爲6個字節。
　　
　　協議地址長度：IP地址長度，此處爲4個字節。
　　
　　操做類型：表明ARP數據包類型。0表示ARP請求數據包，1表示ARP應答數據包。
　　
　　源MAC地址：發送端MAC地址。
　　
　　源IP地址：表明發送端協議地址（IP地址）。
　　
　　目標MAC地址：目的端MAC地址（待填充）。
　　
　　目標IP地址：表明目的端協議地址（IP地址）。
　　
　　ARP應答協議報文和ARP請求協議報文相似。不一樣的是，此時，以太網幀頭部的目標MAC地址爲發送ARP地址解析請求的主機的MAC地址，而源MAC地址爲被解析的主機的MAC地址。同時，操做類型字段爲1，表示ARP應答數據包，目標MAC地址字段被填充以目標MAC地址。
　　
　　 2.3　ARP緩衝區
　　
　　爲了節省ARP緩衝區內存，被解析過的ARP條目的壽命都是有限的。若是一段時間內該條目沒有被參考過，則條目被自動刪除。在工做站PC的 Windows環境中，ARP條目的壽命是2分鐘，在大部分 Cisco 交換機中，該值是5分鐘。
　　
　　在工做站PC的 Windows環境中，可使用命令arp -a查看當前的ARP緩存，如圖3所示。而在 路由器和 交換機中能夠命令show arp完成相同的功能，如圖4所示。
　　 　
　　圖3　 Windows環境下，命令arp -a的輸出
　　　
　　圖4　 路由器中show arp命令的輸出
　　
　　注意：ARP不能經過IP路由器發送廣播，因此不能用來肯定遠程 網絡設備的硬件地址。對於目標主機位於遠程網絡的狀況，IP利用ARP肯定默認網關（路由器）的硬件地址，並將數據包發到默認網關，由路由器按它本身的方式轉發數據包。
　　
　　 3　反向ARP
　　
　　反向ARP（Reverse ARP，RARP）用於把物理地址（MAC地址）轉換到對應的 IP 地址。例如，在無盤工做站啓動的時候，由於沒法從自身的操做系統得到本身的IP地址配置信息。這時，無盤工做站可發送廣播請求得到本身的IP地址信息，而RARP 服務器則響應IP請求消息－爲無盤工做站分配1個未用的IP地址（經過發送RARP應答包）。
　　
　　反向ARP（RARP）在很大程度上已被BOOTP、DHCP所替代，後面這兩種協議對RARP的改進是能夠提供除了IP地址外的其它更多的信息，如默認網關、DNS 服務器的IP地址等信息。
　　
　　 4　代理ARP
　　
　　代理ARP（PROXY ARP）也被稱做混雜ARP（Promiscuous ARP）（RFC 92五、1027）通常被像路由器這樣的設備使用--用來代替處於另外一個網段的主機回答本網段主機的ARP請求。
　　
　　下面是代理ARP的應用之一，如圖5所示，主機PC1（192.168.20.66/24）須要向主機PC2（192.168.20.20/24）發送報文，由於主機PC1不知道子網的存在且和目標主機PC2在同一主網絡網段，因此主機PC1將發送ARP請求廣播報文請求192.168.20.20的MAC地址。這時，路由器將識別出報文的目標地址屬於另外一個子網（注意，路由器的接口IP地址配置的是28位的掩碼），所以向請求主機回覆本身的硬件地址（0004.dd9e.cca0）。以後，PC1將發往PC2的數據包都發往MAC地址0004.dd9e.cca0（路由器的接口E0/0），由路由器將數據包轉發到目標主機PC2。（接下來路由器將爲PC2作一樣的代理髮送數據包的工做）。這種ARP使得子網化網絡拓撲對於主機來講時透明的（或者能夠說是路由器以一個不真實的PC2的MAC地址欺騙了源主機PC1）。
　　 　
　　圖5　 代理ARP
　　
　　 5　無端ARP
　　
　　無端（Gratuitous ARP，GARP）ARP也稱爲無爲ARP。主機有時會使用本身的IP地址做爲目標地址發送ARP請求。這種ARP請求稱爲無端ARP，GARP，主要有兩個用途：
　　
　　（1）檢查重複地址（若是收到ARP響應代表存在重複地址）。
　　
　　（2）用於通告一個新的數據鏈路標識。當一個設備收到一個arp請求時，發現arp緩衝區中已有發送者的IP地址，則更新此IP地址的MAC地址條目。
　　
　　如圖6所示，顯示了一臺 Cisco路由器在其加電啓動後、引導過程當中向網絡宣佈本身的一個以太網接口（Ethernet 0）的MAC地址以及IP地址的包。
　　 　 　　圖6　 無端ARP 　　 　　從圖中能夠看出，這個ARP包的類型編碼是2，表明一個ARP應答消息（可是以前並無對此IP的ARP請求消息）。這個ARP包的源硬件地址（MAC地址）是路由器的這個接口的MAC地址，目標硬件地址（MAC地址）使用的是廣播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）；而源和目標協議地址（IP地址）都是此接口自身的IP地址。此ARP包用於設備（路由器）向網絡宣告自身的IP地址和MAC地址映射，也用於檢查是否有重複（衝突）的IP地址。